使用 2 端口探头测量 40 uOhm（2000 安培）PDN 的挑战 – 需要多少 CMRR？

部分 1 / 3

本文是 3 部分系列的第一部分：

• 第 2 部分 - 测量结果！ 

• 第 3 部分 - 使用另一台 VNA 的测量结果

介绍

我们大多数人都知道 2 端口测量中的接地回路。我们大多数人也都知道，我们需要引入接地回路隔离器来纠正错误。如果没有，我们已经发表了大量关于这个主题的文章。但是您需要增加多少 CMRR 呢？使用探针对这一要求有何影响？

 

请放心，这种测量可以成功执行，如图 1 所示，我们将在本博客中向您展示如何确定它需要多少 CMRR。

图 1 – 通过阻抗测量的 37 μΩ 已知 DUT 2 端口分流的描述。

Intel、Nvidia、AMD、Qualcomm 和 Broadcom 等公司正在将更多内核放在单个芯片上。Ampere 就是一个很好的例子，他们设计了一个在单个芯片上具有 192 个内核的云处理器解决方案。虽然 2000 安培似乎过高，但数据中心、超级计算和 AI 的电力需求已经超过了这个数字。在不考虑热设计或 PDN 验证的其他因素的情况下，让我们专注于测量 2000 安培 PDN 所需的内容。

 

使用 2 端口探头甚至两个 1 端口探头测量 2000 A PDN 并不直观，甚至不简单。为了有效地测量 2000 安培的 PDN，首先要了解要测量以支持 2000 安培的所需阻抗，这一点很重要。参考 EQ（1），如果假设 0.8V 电源域具有 80 mV 峰峰值纹波规格，那么对于 2000 A 的阶跃负载，目标阻抗 （ZTGT） 为 40 μΩ。

情商（1）

接地回路误差

了解了 ZTGT，可以努力了解能够进行 40 μΩ 测量的要求。很快就会发现，共模抑制比 （CMRR） 成为减轻接地回路的重要品质因数，以便通过测量成功将低阻抗测量到与双端口分流相关的微欧姆级。这种方法已经被广泛发布，因此本次讨论将不包括细节。

 

图 1 描述了使用 1 米 PDN 电缆的 40 μΩ 被测设备 （DUT） 的 2 端口测量设置。接地环路误差清晰可见，由此产生的误差如图 2 所示。

图 2 – 使用 1 米 PDN 电缆的 40 μΩ DUT 阻抗测量装置。

图 3 - 使用 1 米 PDN 电缆的 40 μΩ DUT 阻抗测量装置。

接地回路电阻是连接 VNA 和 DUT 的两根电缆的并联等效电阻。在这种情况下，两根电缆与探头接地引脚相同。因此，单个电缆和探针的电阻是测量值的两倍。

均衡器（2）

返回电阻是电缆屏蔽层和引脚电阻之和。

均衡器（3）

通过替换

情商（4）

求解测量值并添加 DUT 可得到

情商（5）

这清楚地表明，接地回路由两部分组成，即电缆和引脚。每个都为接地环路误差提供电阻。

 

一个常见的错误是使用 calibration 来消除 ground loop 误差。校准将从结果中减去 R_measured 的常数值，理论上可提供正确的测量值。

均衡器（6）

这种方法不起作用，因为 K 的值是常数，但 cable 和 pin 电阻的值不是。弯曲电缆或对引脚施加压缩将使接地电阻值发生少量变化。许多 VNA 上使用的 BNC 连接器的接地电阻也不是恒定的。然而，这个微小的值变化与 DUT 具有相同的数量级，而电缆 + 引脚电阻比 DUT 大许多数量级。

 

此方法尝试取两个非常大的数字之间的差以获得非常小的结果。这通常是不成功的。

 

Ground Isolator 简介

接地隔离器的引入将方程式变为

情商（7）

在这种情况下，接地电阻首先除以隔离器的 CMRR，从而显著降低对接地回路电阻微小变化的敏感性。

 

变压器隔离器在低频时限制此 CMRR，而固态隔离器则不然。另一方面，变压器的工作频率通常高于固态隔离器，因此需要权衡取舍。但问题是需要多少隔离才能进行合理的测量。

情商（8）

均衡器（9）

均衡器（10）

假设愿意在 40uOhm 测量中容忍 10% 的接地环路误差，则误差项必须小于 40μΩ。

均衡器（11）

均衡器（12）

这使我们能够求解执行此测量所需的隔离器 CMRR。

均衡器（13）

1 米 PDN 电缆的屏蔽电阻约为 15mΩ。Picotest P2104A 引脚的电阻通常也约为 15mΩ，尽管接触压力可能会有很大变化，并且存在很大的容差。

均衡器（14）

情商（15）

在低频下，进行测量的最小 CMRR 为 77.5dB。

使用 CMRR 减少接地环路误差

为了演示 CMRR 测量要求，将理想的参数化运算放大器插入到仿真设置中，如图 1 所示，如图 3 所示。使用 1 米 PDN 电缆和理想运算放大器的 2 端口分流测量结果如图 4 所示。理想的运算放大器代表接地环路隔离器。图中显示了具有 57dB 和 77.5dB 的运算放大器的 CMRR 与没有 CMRR 的结果。CMRR 为 57dB 的结果表明了另一款 Picotest 产品 J2113A。

图 4 – 使用 1 米 PDN 电缆和理想运算放大器的 40 μΩ 阻抗测量装置。

图 5 - 使用 1 米 PDN 电缆的 40 uΩ DUT 阻抗测量设置，具有 CMRR 变化。

如图 4 所示 ，当 CMRR 等于 77.5dB 时，我们的 40 μΩ DUT 的未校准误差为 7.4%。然而，如图 4 所示，当 CMRR 等于 57dB 时，未校准的误差几乎是 100%。这再次强调了前面的观点，即在 40 μΩ 下测量 2000 A PDN 并不容易或直观。然后，可以使用校准来进一步提高此精度。

 

点击此链接查看本博客讨论的第 2 部分，演示如何使用 2 端口探头测量 40 uΩ DUT。

引用

1. Processors- Ampere Altra and AmpereOne

2. Picotest J2114A 高 CMRR 隔离放大器 - 接地回路断路器 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

3. S. M. Sandler，“如何测量超低阻抗（100uOhm 及更低）PDN”，EDI CON，2018 年 10 月。

4. A. K. Davis， S. M. Sandler， “2 端口分流直通测量和固有接地回路”，EDI CON，2018 年 10 月。

5. Picotest P2102A 2 端口探头 - Picotest P2102A 2 端口探头 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

6. Picotest P2104A - Picotest P2104A 1 端口传输线 PDN 探头 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

7. Picotest PDN 电缆 - Picotest PDN 电缆 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

8. Picotest J2113A 半浮动差分放大器 - Picotest J2113A 半浮动差分放大器 - 接地回路断路器 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)

9. Omicron Bode 100 矢量网络分析仪 - Omicron Bode 100 矢量网络分析仪 |Signal Edge 解决方案 （signaledgesolutions.com)